Aktivní úspory tepla metodou termohydraulického řešení pro 21. století - VI. díl

Obr.1 Hodnoty aktivních a pasivních úspor tepla.

Význam aktivních úspor tepla termohydraulikou

Z hlediska enviromentální strategie a společenského významu jsou aktivní úspory tepla prioritní především tím, že jsou téměř beznákladové a lze je okamžitě uplatnit na všech (i stávajících) otopných soustavách a rozvodných sítích, bez ohledu na stav zateplení budov. Termohydraulicky vyřešené soustavy a rozvodné sítě jsou připraveny ihned přejít na stav po zateplení budov bez dalšího vyvažování a seřizování armatur.

Zatímco pasivní úspory tepla vycházejí ze státní cenové politiky a statického fyzikálního působení teplotních polí, aktivní úspory tepla řeší složitější dynamiku řídicích a řízených veličin regulace ve vytápění a proto se jejich vývoj "opozdil". Na rozdíl od relativně malého počtu modernizací a lokálně uplatněných tepelných čerpadel, solárních kolektorů i dalších progresivních technologií, jsou však aktivní úspory tepla připraveny působit celoplošně, v celé oblasti stávající i nově budované hromadné bytové výstavby, včetně rozvodných sítí CZT a zdrojů tepla - a to je obrovské PLUS.

Typickou rozporuplnou částí oboru je právě CZT, které na jedné straně umožňuje omezit exhalace z lokálních zdrojů,vyčlenit je z hustě obydlených oblastí,aplikovat vysoce účinná opatření pro zajištění čistoty ovzduší a zajistit maximální komfort, ale na druhé straně je výrazně limitováno cenou vyráběného a distribuovaného tepla. Z obr.1 vyplývá, že při překročení ceny 500 Kč / GJ se CZT stane nejdražším způsobem vytápění, které ale přitom zásobuje teplem téměř všechny objekty hromadné bytové výstavby.

Je proto zřejmé, že boj o úspory tepla vyžaduje vedle osamocených progresivních projektů ještě celoplošně působící inovaci a hlavně prostředek, který na základě nových poznatků o regulaci změní nepříznivý poměr mezi úrovní tepelných zisků (40%) a 10% až 15% úspor tepla instalovanou regulační technikou.

Aktivní úspory tepla TH v objektech hromadné bytové výstavby - celoplošné působení

V Evropě je na Centrální Zásobování Teplem připojena zhruba polovina všech bytů. V Polsku 53%, na Islandu 85%, v Dánsku 51%, na Slovensku 40%, v Rumunsku 31%, v Estonsku 52%, ve Švédsku 42%, ve Finsku 50%, atd.

V Čechách je to asi 1 505 000 bytů, které ročně spotřebují cca 60 200 000 GJ tepelné energie, což při průměrné ceně 400,-Kč/GJ v roce 2008 představuje cca 24 080 000 000,-Kč. Kdyby se regulační technikou podařilo zpracovat 40% reálně působících tepelných zisků z oslunění, vaření, koupání, provozu elektrospotřebičů a pobytu osob, přineslo by to úspory nákladů na vytápění 9 632 000 000,-Kč, což je termohydraulickým řešením dnes reálné. Rozhodně je to přinejmenším dostatečným motivem k tomu, aby investoři, dodavatelé, distributoři i finální spotřebitelé tepla byli o této důležité možnosti informováni.

Finanční úspory přitom nejsou jediným efektem a je zde ještě neméně významný vliv na životní prostředí i další vlivy, které termohydraulika umožňuje řešit, například zavedením nízkoteplotních parametrů po zateplení budov a dalšími opatřeními, kterými se prodlouží životnost všech otopných zařízení, odstraní hlučnost, zavzdušňování soustav, poruchové provozní stavy, apod.

Aktivní úspory tepla TH v samostatných objektech

Aktivní úspory jsou výsledkem nového řešení regulačních procesů ve vytápění a proto nejsou závislé na velikosti nebo druhu otopných soustav. Uplatňují se všude, kde je nositelem tepla voda při libovolných parametrech. Lze je tedy stejně dobře využít jak při navrhování městských napáječů, tak například i v etážovém vytápění. Všechny úspory v obr.1 lze tím dnes zvýšit o dalších 25% až 30%.

Nejlevnější energie je energie nevyrobená

Plné využití tepelných zisků regulační technikou při zkoordinované funkci regulace znamená, že takto využitá tepelná energie nemusí být vůbec vyrobena. Nemusí být se ztrátami dopravována ke spotřebitelům, kteří ji nevyužijí, ale která už nevratně zatížila životní prostředí i finanční náklady dodavatele tepla. Teď si možná řekneme, že stejnou funkci plní i klasicky navržená regulační technika, ale mýlili bychom se.

Klasicky navržená regulační technika sleduje pouze část z mnoha parametrů, ovlivňujících ekonomiku provozu vytápění, nezajišťuje zkoordinovanou funkci obou složek celkové kombinované regulace a důležitou oblast kvantitativní regulace na prahu tepelných spotřebičů neřeší vůbec. Proporcionální pásmo prvků kvantitativní regulace tak není plně využíváno k regulaci, ale většinou pouze k nedostatečné kompenzaci neekonomických zkratových průtoků, vyplývajících z termického nevyvážení soustav a sítí.

V našem seriálu proto hovoříme o způsobech navrhování a seřizování regulační techniky, kterými jsou řešeny vztahy mezi řídicími i řízenými veličinami regulačních procesů a ekonomické regulační procesy jsou funkcí regulační techniky skutečně zajištěny.

Termohydraulické aktivní úspory tepla působí na počátku i v koncových bodech soustav a sítí

Klasické hydraulické nebo hydronické řešení a vyvažování působí pouze na počátku tzv. "chráněných okruhů" a nejdůležitější regulační procesy uvnitř těchto okruhů neřeší. Jenže průtoky celými dynamickými soustavami i rozvodnými sítěmi, jsou řízeny právě aktivní činností regulačních prvků v koncových bodech, ležících mimo oblast působení klasických návrhových a vyvažovacích metod.

Vlastní tepelná pohoda, jako hlavní cíl řešení oboru vytápění, pak už je vysloveně záležitostí koncových bodů soustav, které klasickými postupy neřešíme. Termohydraulika funkci i úspory v koncových bodech řeší.

Termohydraulika přitom řeší zásadní rozdíly mezi statickými a dynamickými soustavami

Nové řešení respektuje funkční specifika dynamických soustav, které se zásadně liší od soustav statických. Především tím, že funkční podmínky (hydraulické poměry) zde nejsou dány pouhým seřízením hydraulických odporů, ale tepelným působením v okolí teplotních čidel, které klasickými postupy neřešíme. Návrhem dynamické soustavy pouze z hlediska seřízení hydraulických odporů, nemůžeme zaručit její správnou funkci, ani ekonomiku jejího provozu, protože dynamické soustavy se podle hydraulických zákonů nechovají. Můžeme se spolehnout jen na předpoklad, že překročení vnitřní teploty o 2°C od nastavení hlavice přeruší přívod teplonosné látky do spotřebiče, takže průtoky mohou být vlastně "libovolné", teoreticky mohou kolísat od maxima až k nule a je otázkou, proč vlastně hydraulické výpočty provádíme, když se vztahují k podmínkám, které v reálném provozu nedokážeme zajistit. V reálné praxi pak řada firem "opustila projektování úplně" a instalovala regulační techniku pouze "podle dimenzí a předpočítaných tabulek průtoků", takže pomalu infiltruje názor, že se vytápění projektovat nemusí.

Na otázku, zda může nevyprojektovaná dynamická soustava fungovat, musíme říci ANO. Jakákoliv soustava bude "fungovat" s rezervami nadbytečného výkonu čerpadel, a protože voda v potrubí při omezovaném nebo dokonce přerušovaném průtoku nadměrně chladne, tak i při zbytečně vysoké teplotě vody na počátku rozvodné sítě. Ale nebude to funkce ekonomická a dodavatele tepla bude nutit ke stálému zvyšování cen, které v konečných důsledcích tržně působí proti jeho zájmům a snahám, nabízenou službou se na trhu co nejvíce uplatnit. V mnoha případech se pak již dnes objevují tendence "odpojování spotřebitelů od rozvodných sítí" a další přirozené reakce na nepřirozený stav, kterým je nerespektování rozdílů mezi statickými a dynamickými soustavami při klasickém projektování, k čemuž odborníci mlčí.

Náš seriál má ukázat, jak vývoj oboru vytápění pokročil ve prospěch dodavatelů i spotřebitelů tepla a jak termohydraulické aktivní úspory tepla mohou ekonomiku vytápění i životní prostředí úplně změnit.

Ve 21. století disponuje obor vytápění sofistikovanými prostředky

Umožňuje přejít od předurčených hodnot k parametrickému řešení optimálních pracovních podmínek, při kterých může regulační technika pracovat ekonomicky, v oblasti nejvyšší účinnosti regulačních procesů a s nejvyšší mírou energetického využití tepelných zisků. Termohydraulické aktivní úspory tepla regulační technikou se tak staly nástrojem přímého řešení ekonomických vlastností dynamických soustav.

Aktivní úspory tepla se dnes přímo projektují

I když rozhodují o nejdůležitějších vlastnostech otopných zařízení, jsou řešeny ve zlomku finančních nákladů, spojených s jejich vybudováním nebo rekonstrukcí. Za zlomek nákladů můžeme dnes úplně změnit jak ekonomiku vytápění, tak jeho vliv na životní prostředí a můžeme přitom nadále využívat všech stávajících zařízení, bez nároků na jejich výměnu. To vše jsou obrovské výhody, stejně jako zachování všech pracovních postupů a vazeb na ostatní profese, bez nároků na zvláštní přístrojové vybavení, nebo montážní práce. V takové situaci se obor vytápění ocitl poprvé a musíme toho využít ku prospěchu všech.

V rámci osvěty bychom měli napravit pošramocené představy o regulaci vytápění, které se zrodily z nepochopení základních principů regulačních procesů, ignorují vztahy mezi řídicími a řízenými veličinami a místo tepla za "řízenou veličinu" považují průtok. Řídit průtok, nebo teplo, jsou opravdu dvě velmi různé věci a je optimistické, že je dnes obor vytápění může důsledně rozlišovat a řešit.

Vžitá kritéria klasického hodnocení "správnosti"

Při klasickém hodnocení "správné funkce vytápění" se nejvíce opíráme o naměřené "hydraulické parametry", kterým přisuzujeme značnou důležitost a váhu, i když jejich skutečný vliv na funkci soustav je malý.

Průměrné parametry soustavy při tp = 90°C konst., měřitelné přístroji
Difer. tlak na vstupu do objektu (%)	Průtok G (%)	Výkon soustavy P (%)	Vratná voda tz (°C)	Teplotní spád Δtm (K)
20	44,72	79,61	54,35	35,65
40	63,25	89,40	61,71	28,29
60	77,46	94,43	65,61	24,39
80	89,44	97,67	68,15	21,85
100	100,00	100,00	70,00	20,00
120	109,54	101,78	71,42	18,58
140	118,32	103,19	72,56	17,44
160	126,49	104,37	73,50	16,50
200	141,42	106,20	74,99	15,01
500	223,61	112,29	79,97	10,03
1000	316,23	115,59	82,70	7,30
5000	707,11	120,27	86,60	3,40
10000	1000,00	121,42	87,58	2,42

Tab.1 Závislost výkonu a pracovních parametrů soustavy na vstupním diferenčním tlaku.

V rozsahu diferenčních tlaků 20% až 10 000% na vstupu do otopné soustavy se ve skutečnosti její tepelný výkon mění jen cca od 80% do 120% a vyvažováním toho moc nezmůžeme. Vliv nesprávných průtoků na dosažené vnitřní teploty místností může být dokonce tak malý, že teploty místností při nich nevybočí z legislativou povolených tolerancí (např. 20+/-1,5°C) a soustavy s průtoky například v rozsahu 50% až 500% mohou být z hlediska vnitřních teplot považovány za "bezchybné a správné". Nesprávné průtoky jsou však přímo destrukční pro účinnost regulačních procesů a tím i pro ekonomiku celého vytápění. Asi si řeknete, že právě proto se vyvažuje, ale nikoliv. Nesprávně pochopená a chybně aplikovaná "teorie hydraulického vyvažování", využívaná někdy dokonce jako "prostředek k nápravě funkce vytápění" takovým prostředkem není a ekonomiku vytápění nezajišťuje, protože klasickým řešením určené a vyvažované průtoky jsou fyzikálně chybné.

Termohydraulika se proto při hodnocení správné funkce soustřeďuje na celý komplex sledovaných parametrů, v nichž dominují parametry teplotní a hodnoty seřízení regulační techniky, včetně seřízení teplotních čidel a průběhů otopových křivek.

Na základě jakých vstupních dat vzniká tak výrazná odlišnost výstupů termohydraulického řešení?

Vstupní data dimenzionálních výpočtů potrubí, armatur a jejich seřízení, jsou prakticky shodná s daty klasického řešení. Rozdíl je jen v tom, že do výpočtu vstupují požadované tepelné výkony spotřebičů tepla (W) a nikoliv průtoky (kg h^-1). Takto vlastně obor vytápění dimenzovat kdysi začal, dříve než se objevily Gregorovy, Laboutkovy, Suchánkovy nebo Rážovy výpočtové tabulky s hmotnostními průtoky.

Jediným vstupním datem "navíc" je v termohydraulice požadovaná teplota vzduchu vytápěné místnosti pro základní seřízení termostatické hlavice se zajištěným zdvihem kuželek TRV, pro který výrobce uvádí závislost nastavení "předregulace" TRV na požadované hodnotě "Kv". Výpočtovým nastavením hlavic je zajištěn základní výchozí stav, při kterém projektované tlakové ztráty nastanou při projektovaných vnitřních teplotách místností, což u klasického řešení dynamických soustav možné není. Při klasickém řešení proto projekt neobsahuje takové údaje, při kterých nastanou projektované (a projektem garantované) funkční vlastnosti díla. Má-li projekt plnit svůj hlavní smysl a účel, pak tento stav je potřebné změnit jak to učinila termohydraulika, protože projekt s nezaručenou funkcí správný není a poctivou práci i snažení drtivé většiny kvalitních odborníků a projektantů vytápění anuluje.

Teplotu vzduchu "tv" je potřebné určit poměrně přesně, proto se hlavní zpřesnění týká výpočtu tepelných ztrát místností, kde jsou volená vstupní data (např. okolní teploty v nevytápěných místnostech, charakteristické číslo budovy "B", místnosti "M", atd.) nahrazena vypočtenými hodnotami, přičemž výpočet budovy probíhá v iteračních cyklech. Teplota vzduchu na obou stranách stavebních konstrukcí je fyzikálně správnější než přirážka na vyrovnání vlivu chladných stěn, která byla z výpočtu tepelných ztrát odstraněna už v roce 1981, na základě ZN schváleného hlavním autorem Ing. Dr. Jaromírem Cihelkou.

Na první pohled někdy "drastické" rozdíly výstupních dat jsou tedy jen výsledkem fyzikálně správných výpočtů a respektování základních fyzikálních vztahů. Korekce průtoků odpovídá úbytku tepelné energie na trase a podmínce zachování střední teploty topné vody pro zajištění účinnosti kvalitativní regulace, i pro dosažení zkoordinované funkce obou složek celkové kombinované regulace vytápění. Těmto požadavkům je přizpůsobeno vyvážení směšovacích okruhů i seřízení vyvažovacích armatur a návrh všech akčních členů regulace je proveden tak, aby regulačním procesem byla linearizována řízená veličina (tj. regulovaný tepelný výkon) a nikoliv průtok. Tyto "maličkosti" však znamenají revoluční změnu.

Celkově termohydraulické výpočty obsahují jen několik nově zavedených vztahů, jinak pracují s běžnými vztahy, ve kterých jen nahrazují dříve volená data vypočtenými hodnotami. Řeší však vzájemné relace mezi řízenou hodnotou (tepelným výkonem) a dvěma řídicími hodnotami (okamžitou vnější teplotou a multivalentními vnitřními teplotami), do nichž se promítají tepelné zisky a proto mohou být řešeny.

Výstupní data termohydraulických výpočtů jsou pak pouze výsledkem naplnění základní energetické rovnosti, uvedené již v příspěvku "Princip termohydraulického řešení dynamických soustav", kterou by měl splňovat návrh každé (i klasické) otopné soustavy. Tato rovnost žádné "tajuplnosti" neobsahuje, naopak obsahuje jen vztahy známé a pro oživení si ji připomeňme:

V této rovnosti člen A vyjadřuje vztah mezi okamžitými energetickými nároky na vytápění Qcj a okamžitými řídicími teplotami (tvj , tej), kterým se v členu B musejí rovnat okamžité teplotní parametry topné vody (tpj , tzj) i výkon otopného Tělesa QTj a současně i přenos tepla od zdroje ke spotřebiči, vyjádřený členem C.

V klasické projektové praxi byly výpočtové vztahy původně určeny pro "ruční výpočty" statických soustav, proto byly do krajnosti zjednodušeny a naplnění základní energetické rovnosti neřeší. Dynamické soustavy jsou však svou funkcí i ekonomickým provozem zcela závislé na aktivaci teplotních čidel tepelným působením vlastní otopné soustavy a proto v nich přenos tepla i vzájemné vztahy řídicích a řízených veličin řešeny být musejí.

Termohydraulika tedy vznikla jako "vynucené zpřesnění výpočtových postupů", bez kterého nelze zajistit správnou funkci dynamických soustav ani plnou výtěžnost aktivních úspor tepla z tepelných zisků.

Vstupní data jsou prakticky shodná s klasickým řešením, ale vyloučením zjednodušujících konstant a pouhých předpokladů klasického výpočtu, získáváme úplným řešením fyzikálních vztahů zcela jiná data výstupní, která se výrazně přibližují, často až ztotožňují, s naměřenými hodnotami v reálné praxi.

Ale termohydraulika není záležitostí jednoduché úpravy několika vzorečků, protože složitost spočívá v celkové provázanosti dat a vzájemného působení řídicích a řízených veličin, řešeného v iteračních cyklech a proto nelze termohydrauliku publikovat pouze jako "jednoduchou úpravu vzorečků", jak jsme na to zvyklí z hydraulických řešení a z běžně publikovaných článků.

V rámci našich příspěvků se snažíme o maximálně transparentní popis vyvinuté a praxí ověřené metody, ale vymezená plocha příspěvků má informační charakter. Má informovat o možnostech a přínosech aplikací termohydrauliky, ale nemůže obsáhnout celou tématiku ve všech souvislostech a návodech k řešení, které by se na plochu našich příspěvků rozhodně nevešlo, ani kdybychom ji zmnohonásobili. Přesto se zde snažíme, aby si čtenáři mohli z našeho popisu utvořit alespoň ucelený a srozumitelný obraz.

Termohydraulické řešení aktivních úspor tepla umožnilo změnit celkovou účinnost instalované regulační techniky ve prospěch dodavatelů i spotřebitelů tepelné energie a přirozeně osloví jen ty z nás, které tématika úspor tepla skutečně zajímá. Vyšší pracnost projektování oboru může být přitom samozřejmě vnímána i negativně, ale ve století výpočetní techniky se domníváme, že za to úspory tepla stojí. Nová metoda není "připravovaným standardem nebo latentní pastí na projektanty" a neohrožuje ani tvůrce klasického software, který si jistě dál bude řešit obor "po svém". Uvnitř pracovního týmu jsme se přesvědčili, že termohydraulika má naopak sjednocující vliv, protože dokáže vysvětlit a vyřešit problémy, které se klasickým projektováním vyřešit nedají. Vždy budou odborníci, ortodoxně zastávající klasické metody a postupy. Minulost nás dlouhá léta učila, že vše "je a má být stejné" a to nás ovlivňuje.

Ale v současnosti na trhu už nejsou a nebudou "stejné projekty vytápění", ani "stejné způsoby vyvažování", podobně jako nejsou stejné vlastnosti ostatního zboží a získáváme možnost svobodné volby mezi klasikou a stále zdokonalovanou termohydraulikou.

Pro všechny je zde k dispozici metoda, umožňující nejen spolehlivější a úspornější provoz vytápění, ale odbornou spolupráci při řešení problémů klasického projektování. Termohydraulika pomáhá odstraňovat hluk, snižuje náklady na vytápění a přispívá ke zlepšení stavu životního prostředí. Proto považujeme za správné, o těchto možnostech uceleně a pokud možno populárně informovat.

Termohydraulika je v tomto smyslu sjednocující, protože už nemusíme pracovat s odhady a předpoklady, které dříve nebylo možné dokázat a proto byly příčinou roztříštěnosti názorů a postojů. Naplněním základní energetické rovnosti se můžeme konečně v názorech a postojích sjednotit a to je i cílem informací, které ve skromnosti předkládáme až poté, kdy se měřením ověřily a praktickým provozem plně osvědčily. Aktivní úspory tepla regulační technikou dnes v praxi spolupůsobí s pasivními úsporami zateplením budov a naplňují enviromentální i ekonomické cíle oboru vytápění.

Literatura, podklady a hodnocení

J. Cihelka a kolektiv - "Vytápění, větrání a klimatizace"
Galád, Ráž - STP, Komplexní studie zateplování budov - 2005
Ráž J., Genath B. - SHT "Echte Innenraum - Temperaturregulung mit Thermostatventilen"
Genath - Göke - Petitjean - Ráž - Kopřiva "Konzultace o funkčních vlastnostech dynamických soustav"
Brož - ČVÚT "Posouzení eliminační termodynamické metody výpočtu otopných soustav"
Galád - "Průběžné hodnocení vlivu pracovních parametrů na funkci dynamických soustav"
Matějček - Ráž "Praktické ověření funkce a montáže termohydraulicky řešené dynamické soustavy"
Čermák - Senft "Vyhodnocení funkce termohydraulicky řešených soustav pro 1179 bytových jednotek"